電網調度實時數據庫的架構

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實時數據庫系統

傳統的實時數據庫將實時數據集中存儲在一臺服務器上，使用者通過實時數據庫系統對外提供的訪問接口對實時數據操作。分布式實時數據庫系統是實時數據庫技術與網絡技術兩者相互滲透和有機結合的結果［6］。分布式實時數據庫系統在體系結構上與集中式實時數據庫系統有很大的不同，具有數據分布性、邏輯整體性等特點［7］。數據分布性是指實時數據庫通過數據分片，將實時數據存儲在不同的計算機節點上，使用者不需要關心數據的物理位置分布情況，通過服務器間的數據定位，完成對實時數據的透明訪問；邏輯整體性是指這些存儲在不同節點的數據在邏輯上是互相關聯的，從邏輯上形成一個數據整體。分布式實時數據庫采用全局統一管理和區域分片自治管理結合的原則，由系統根據實際需要將數據進行合理的分片，并通過冗余備份、數據同步等手段來保證數據的完整性和一致性。分布式實時數據庫結構如圖1所示。廣域分布式實時數據庫系統的數據分布性從局域網內不同服務器上的數據分布，擴展到廣域網絡內不同系統間的數據分布，各系統上的數據由本地實時數據庫管理系統管理，具有高度的自治處理能力，能夠自主地完成本地業務。廣域分布式實時數據庫將分布式實時數據庫擴展到廣域系統內，它把廣域網絡內各個獨立的實時數據庫系統邏輯整合成一體化的大型分布式實時數據庫系統，如圖2所示。

廣域分布式實時數據庫體系架構

目前的實時數據庫系統一般采用數據集中式存儲和處理技術，已不能滿足大電網調度中海量數據的實時處理以及分布式存儲、廣域化全局計算的需求。為了更高效、更穩定地支撐智能調度業務，需要改變現有實時數據庫的體系架構，研究和設計適用于廣域電網調度的分布式實時數據庫體系架構。廣域分布式實時數據庫系統由分布于廣域范圍內多套調度系統間的實時數據庫系統所組成，通過統一的數據操縱和訪問機制，實現對各實時數據庫系統數據的透明訪問，使得廣域分布式實時數據庫在使用上可視為一個完整的數據庫，而實際上分布在地理分散的多個電網調度系統中。廣域分布式實時數據庫系統架構采用面向服務的體系結構，自下而上包括文件系統層、數據處理層、網絡連接層、數據定位層與應用層，由應用程序接口（API）服務接口、廣域實時數據庫數據定位系統、系統內實時數據庫服務處理系統等組成。廣域分布式實時數據庫體系架構如圖3所示。該架構中，文件系統層的作用包括存放分布式實時數據庫實體、處理廣域系統間數據冗余備份和數據同步等；數據處理層負責處理具體的數據訪問請求和數據，以及數據加密和冗余系統間數據同步；網絡連接層負責處理系統間數據安全認證，以及局域網絡、廣域網絡連接管理；數據定位層負責廣域數據定位、結構化查詢語言（SQL）解析，以及廣域數據索引的建立和管理；應用層包括電網調度自動化系統各個上層業務應用，應用可以通過調用API接口或SQL來訪問實時數據庫，訪問的方法包括請求應答與訂閱，是廣域分布式實時數據庫系統的最終使用者。

廣域分布式實時數據庫系統架構的關鍵技術

廣域分布式實時數據庫體系架構可以解決調度自動化系統中數據存儲和訪問的瓶頸問題、調度系統間的數據交互與共享問題，提升信息處理、計算、存儲和共享的能力，提高系統運行速度和處理能力，更好地為大電網一體化運行服務。該架構的研發需要重點研究和掌握廣域數據標識、廣域數據分布式存儲、廣域數據服務定位、廣域冗余備份與數據同步、廣域數據安全訪問等關鍵技術。

1電網設備唯一標識方法

目前實時數據庫系統中設備標識（關鍵字）僅在本系統內唯一，無法滿足廣域范圍系統內調度系統間的數據分布式存儲和共享交互的需求，需要設計一種在廣域系統內唯一的關鍵字實現方法，關鍵字需要增加標識數據所屬區域的信息，用于標識廣域分布式實時數據庫系統中的系統區域。這樣，在整個電網調度自動化系統中，每個設備對應一個廣域范圍內唯一的設備標識。引入了廣域設備唯一標識后，每個子區域的實時數據庫只存儲本區的記錄，從而實現廣域數據的分布式存儲。另外，這種關鍵字的設計也可用于數據定位，廣域分布式實時數據庫系統通過對關鍵字的解析可以直接定位到該記錄所屬系統，完成廣域數據資源定位。

2電網設備統一命名方法

廣域分布式實時數據庫系統內各個系統間的數據交互方式除了按設備關鍵字交互之外，還可以按設備名稱交互。按設備名稱交互的方式在很大程度上依賴于廣域范圍內電網設備的規范化命名，保證電網設備名稱全系統唯一，這也是整個調度技術支持體系內數據流暢通的基礎。廣域分布式實時數據庫系統中設備的統一命名方法可以參照國家電網公司頒布的《電網設備通用數據模型命名規范》，電網設備命名結構如下：電網．廠站線／電壓．間隔．設備／部件．屬性。通過這種命名規范，對于一個給定設備名稱，可通過“電網”定位到數據所屬系統；通過“廠站線”、“電壓”、“間隔”、“設備”、“部件”定位到子區域中對應的數據；通過“屬性”定位到該數據的屬性值。

3實時數據分布式存儲技術

廣域分布式實時數據庫的分布式存儲分為2個部分：廣域系統間數據分布式存儲和局域系統內數據分布式存儲。對于前者，為適應調度系統層次化運行管理的現狀，可以按照數據物理存儲位置不同，將實時數據庫中的表進行分布式存儲。由于調度系統中對于實時數據庫的訪問絕大多數是來源于本地，因此，在存儲時要把調度系統內的數據都存放到本地，同時可在其他調度系統中建立本系統數據的冗余備份。廣域分布式實時數據庫的數據表在物理分布上形成一個多層次樹狀結構。該樹的每個結點，對應系統中的一個調度系統的實時數據，該結點的子結點對應下級調度系統的實時數據，父結點對應上級調度系統的實時數據，兄弟結點對應平級調度系統的實時數據。以斷路器（breaker）設備表為例，廣域分布式存儲結構如圖4所示。對于后者，可參考MongoDB［8］等分布式數據庫的分布式存儲方法，選用關鍵字或者設備統一命名作為分布存儲的鍵值，將數據在各個服務器上按照負載均衡動態透明分布式存儲。

4實時數據服務定位技術

廣域分布式實時數據庫服務的定位系統需要對實時數據傳入的實時數據關鍵字信息進行解析，從給定的信息獲取該實時數據所在的區域信息，如果請求本系統內部的實時數據，則可以通過實時數據庫本地系統內的局域網獲??；如果訪問異地系統的實時數據，則先判斷出該數據所在的具體系統，通過定位服務獲取詳細的網絡信息，最終從遠方系統獲取相應數據，使得廣域系統內的各個實時數據庫系統組成一個類似的“實時數據庫云”，在廣域范圍內實現對實時數據的透明訪問。一種可行的廣域數據定位實現方法是通過設備關鍵字或設備名字進行定位。不同系統的實時數據在存儲時被標上整個廣域系統內唯一的設備標識或設備名稱，API接口根據應用傳入的設備標識或設備名稱快速定位到電網設備所屬系統。

5實時數據索引技術

數據庫索引是提高數據查詢效率的重要途徑，目前實時數據庫系統中的索引技術有B＋樹索引和適用于不同用法的HASH索引［9］等。在廣域分布式存儲的環境下，索引不僅是提高查詢效率的手段，也是廣域數據快速定位的方法。廣域電網設備唯一標識為系統提供按關鍵字定位的方法，廣域設備統一命名為系統提供按設備名稱定位的方法，廣域分布式數據索引為系統提供按除關鍵字、設備名稱之外的某些屬性定位的方法。此外，利用索引技術可以為數據檢索建立一種緩沖機制，即建立設備統一命名和廣域設備關鍵字之間的一種緩沖索引。在使用上，應用層采用設備統一命名訪問實時庫，而不是使用相對晦澀的關鍵字，實時庫底層數據訪問采用關鍵字檢索數據。這種訪問方法對于應用層程序來說更方便，并且通過緩存索引又能夠保證訪問的效率。

6實時數據冗余備份技術

在廣域系統中，不僅要在系統內不同服務器間構建冗余節點，還要在系統間構建系統級的冗余機制。廣域系統間的實時數據庫冗余備份技術需要實現2套或多套系統之間單、雙向備份。以國調、“三華”電網調度為例，可以采用“1＋3”互為備份機制，構建“一體化互備”系統，如圖6所示。

7實時數據同步技術

廣域系統間的數據同步方式分為實時同步和準實時同步。實時同步要求各個冗余系統之間滿足數據的強一致性［10］，這種同步方式容易受廣域系統之間的網絡環境影響，并會降低各個系統之間的自治性，一般情況下不考慮實時同步方式。準實時同步允許各節點之間的同步異步進行，當某節點發生變化時，其他同步節點可以有一定的時間延遲再同步此變化，這樣就可以減少由于異常因素引起的操作失敗，提高了系統可用性。根據分布式系統的CAP定理［11］，分布式系統無法同時滿足一致性（consistency）、可用性（availability）和分區容忍性（partitiontolerance）。對于整個廣域電網調度系統，可用性的保證毋庸置疑；分區容忍性保證某個子系統在斷網的情況下系統能夠正常使用，這種情況出現頻率較高，也需要保證；在保證可用性和分區容忍性的前提下，只能通過采取部分犧牲“一致性”的方法來維持CAP之間的平衡。廣域分布式實時數據庫系統在每個系統內部不同冗余節點之間的數據同步可以利用目前單一系統內部的同步方式，而冗余系統之間的數據同步在同步方式上選取準實時同步方式，從數據同步的結果上來看，并不要求數據的強一致性，而只是要求數據的弱一致性以及最終一致性［12］。

8實時數據安全訪問技術

廣域分布式實時數據庫為廣域系統間多套電網調度自動化系統服務，需要研究廣域環境下多套系統間的數據安全訪問技術。目前，電網調度自動化系統已構建了3級縱深安全防護體系，不同系統間通過認證裝置加密認證訪問。廣域系統間的數據安全訪問應構建于電網調度自動化系統之上，采用加密、授權、認證等技術手段實現廣域系統間的數據安全訪問。

應用展望

隨著特高壓互聯大電網的建設，電網一體化安全穩定運行的要求越來越高，電網調度廣域分布式實時數據庫系統的應用有著重要的意義。1）廣域分布式實時數據庫系統可以滿足大電網“一體化”運行的需要。目前，在國／網／省一體化、省／地一體化、地／縣一體化等系統的建設中，一體化應用已經體現出巨大的優勢，包括一體化狀態估計、一體化網絡分析和一體化調度員仿真等。廣域分布式實時數據庫可以為這些一體化應用提供新的實時數據存儲和訪問方式，使得在多個系統之間實時數據的共享更為快捷和高效。2）廣域分布式實時數據庫可以滿足電網調度系統容災備份的需要。國內近年來自然災害頻發，這對電網調度系統的冗余互備能力提出了更高的要求。目前各級調度都在加強備用調度的建設，以提高電網調度的容災能力。廣域分布式實時數據庫的冗余互備功能能夠極大地提高廣域范圍內調度系統之間的互備能力，從而實現調度系統不受地域限制的應用訪問，提高備用系統的可靠性，進而提高整個廣域網內電網調度系統的穩定性和安全性。

結語

本文分析了電網調度自動化系統實時數據庫只能在一個系統的局域范圍提供實時數據服務，無法支持系統間廣域范圍的實時數據存儲和共享的現狀，介紹了分布式實時數據庫系統的特征，提出了一種適應智能電網發展、滿足互聯大電網“一體化”運行需要的電網調度廣域分布式實時數據庫系統架構，討論了其關鍵技術，給出了應用示例。本文提出的廣域分布式實時數據庫系統體系架構在設計上采用面向服務體系結構，是目前實時數據庫系統的廣域分布式延伸，在廣域數據分布式處理上滿足調度系統多級管理需求。該架構可以解決各級電網調度自動化系統間實時數據交互和共享問題，提高系統間冗余備份能力，從而提高調度特大電網的能力，保證電網安全穩定運行。（本文作者：翟明玉、王瑾、吳慶曦、靳晶、魏娜 單位：國電南瑞科技股份有限公司）